ビールの法則

出典:米国ジョンズ・ホプキンス大学(米国メリーランド州)のSmaa Koraym

1. ビールの法則のためのラボセットアップExpand

   このラボでは、FeCl₃とNaSCNの水溶液を組み合わせ、橙赤色の[Fe(NCS)]²⁺錯体を形成します。FeCl₃が水に溶解すると、鉄の中心は6つの水分子に囲まれます。この酸性錯体は、その水分子からプロトンを容易に失い、溶液から水酸化鉄を沈殿させる可能性があります。

   これを防ぐために、溶液には、鉄を溶液中に保つのに十分なHNO₃を、主に無色の[Fe(H₂O)₆^]3+および黄色の[Fe(H₂O)₅(OH)]²⁺に含めます。このラボでは、出発する鉄錯体を総称してFe³⁺と呼びます。

   [Fe(NCS)]²⁺複合体は、[SCN]-が鉄上の別の基と交換され、窒素が鉄と相互作用して形成されます。この交換は可逆的であるため、[Fe(NCS)]²⁺の形成と損失の間には全体的な平衡があります。

   チオシアン酸-鉄の相互作用により、[Fe(NCS)]²⁺溶液は強い色をします。最終的には、ビールの法則を使用して、UV-Vis吸光度強度を[Fe(NCS)]²⁺複合体の濃度に関連付けます。これにより、[Fe(NCS)]²⁺錯体の平衡濃度を実験的に測定でき、そこからプロセス全体の平衡定数を推定できます。

   • 白衣、防滴安全メガネ、ニトリル手袋を着用してください。使用する溶液は腐食性が高いため、取り扱いには注意してください。
   • 3つの150 mLビーカーを0'.5 M HNO₃、'1 M FeCl₃ in 0.5 M HNO₃'、'0.5 mM NaSCN in 0.5 M HNO₃'としてラベル付けします。
   • 400mLのビーカーを「廃棄物」とラベル付けします。一方のビュレットに「[SCN]-」、もう一方に「HNO₃」のラベルを付けます。
   • ビュレットを十分に高く固定して、400mLの廃棄物ビーカーがその下に収まるようにします。
   • 50 mLメスシリンダーを使用して、100 mLの0.5 M HNO₃を分注フード内の適切なラベル付きビーカーに測定します。ビーカーを時計のガラスで覆い、ドラフトに戻します。
   • 対応する標識ビーカーに20mLの1 M FeCl₃を測定します。溶液の一部をフードに戻す前に、ストックボトルに蓋がされていることを確認してください。
   • 0.5 mM NaSCNを40 mL測定し、対応する標識ビーカーに注ぎます。
   • 100mLのビーカーにラベルを付けて脱イオン水を入れます。
   • 両方のビュレットのストップコックが閉じていることを確認してください。各ビュレットに漏斗を置き、両方に脱イオン水を注ぎます。
   • 廃棄物ビーカーを1つのビュレットの下に置き、活栓を開きます。水が排出されたら、ストップコックを閉じ、もう一方のビュレットでこのプロセスを繰り返します。
   • 対応するビュレットに約5mLの0.5 M HNO₃を注ぎ、廃棄物ビーカーを注ぎ口の下に置きます。活栓を開いて先端にHNO₃を充填し、数mLの水気を切るのを待ってから閉じます。
   • ビュレットに約40mLのHNO₃を加えます。目盛りは上から下に測定されるため、約10mLのマークまで埋める必要があります。手記： ビュレットによって分配される容量は、開始容量と最終容量の読み取り値の差によって追跡されます。
   • 廃棄物ビーカーを[SCN]-ビュレットの下に置き、HNO₃と同じ方法で先端にNaSCN溶液を充填します。
   • 残りの[SCN]-溶液をビュレットに注ぎます。ビュレットを軽くたたいて、気泡を取り除きます。ビュレットの先端に気泡がある場合は、ストップコックを短く開いて泡を洗い流します。
   • 4つの正方形のプラスチックパラフィンフィルムと2枚のアルミホイルを入手して、セットアップを完了します。
2. Calibration Curve MeasurementsExpand

   正確な検量線を作成するには、標準溶液中の正確な[Fe(NCS)]²⁺濃度を知る必要があります。ただし、錯体はFe³⁺および[SCN]-と平衡状態にあるため、[Fe(NCS)]²⁺錯体自体のみがこの目的にカウントされます。したがって、標準溶液は0.2 M FeCl₃を使用して、鉄が500〜2,000倍過剰になるようにします。

   1つの鉄から出た[SCN]は、すぐに別の鉄を見つけるため、これらのソリューションには事実上、自由な[SCN]は存在しません。したがって、[Fe(NCS)]²⁺濃度は標準溶液の初期NaSCN濃度と等しいと仮定できます。

   • 50mLメスフラスコを'0.2 M FeCl₃'とラベル付けします。
   • 10 mLのFeCl₃をメスフラスコに分注します。フラスコに漏斗を追加し、約30mLの脱イオン水を注ぎます。
   • フラスコを正方形のプラスチックパラフィンフィルムで密封し、数回反転させて溶液を完全に混合します。
   • 使い捨てピペットを使用して、フラスコをラインまで脱イオン水で満たし、ピペットを後で保管します。フラスコを再密封し、数回反転させて溶液を混合します。
   • ハンドヘルド分光光度計の電源を入れ、吸光度を測定するように設定されていることを確認してください。
   • 光源が温まる間、実験中に5つの50mLビーカーをアルミホイルで包み、光感受性のFeCl₃溶液を保護します。
   • 5つのビーカーと5つの清潔な使い捨てピペット1〜5にラベルを付けます。再利用するガラス製品のきれいな表面としてペーパータオルを置きます。
   • 1 – 5 の解決策を準備します。溶液1については、ビーカー1に0.2 M FeCl₃を5 mL加え、HNO₃のビュレットの下に置きます。

     表1:[Fe(NCS)]²⁺検量線の標準溶液

     >λmax

     ソリューション #	>0.2 M Fe3+ (mL)	>0.5 mM [SCN]- (mL)	>0.5 M HNO3 (mL)	λmaxでの吸光度	総容量 (mL)	[Fe(NCS)]2+]
     1	5	0	5	溶剤ブランク
     2	5	1	4
     3	5	2	3
     4	5	3	2
     5	5	4	1

     表1をダウンロードするにはここをクリックしてください
   • ビュレット内の現在の容量をメモし、正確に5mLのHNO₃をビーカーに分注します。溶液をガラス攪拌ロッドと混合します。
   • ピペット1を使用して、キュベットに溶液1を約75%充填し、キュベットにキャップをします。
   • ラボワイプでキュベットの透明な側面を清掃し、分光光度計に入れます。
   • バックグラウンド測定値を取得します—溶媒ブランク。
   • キュベットを取り外し、廃棄物ビーカーに空にし、脱イオン水で3回すすいでください。キュベットの欠陥に関連する誤差を最小限に抑えるために、すべての測定に同じキュベットが使用されます。
   • 中濃度の溶液、サンプル3を準備します。0.2 M FeCl₃ 5 mL をビーカー 3 に加えます。
   • ビュレットから2mLのNaSCNと3mLのHNO₃をビーカーに分注します。
   • ガラス攪拌ロッドと溶液3を混合し、ピペット3を使用して、清潔で乾燥したキュベットに溶液3を約75%充填します。
   • 透明な側面を清掃し、分光光度計に入れます。
   • 溶液の吸光度を約5秒間測定し、吸光度が最大の波長を特定します。この波長を [Fe(NCS)]²⁺ 錯体の λ_max としてラボノートに記録します。
   • 分光光度計を平均読み取り値10秒以上に設定し、波長をλ_最大に調整します。溶液3の完全な吸光度測定を保存します。λ_maxでの吸光度をラボノートに記録します。
   • 解決策2、4、および5についても同じプロセスに従います。一度に1つずつ溶液を作るか、準備した溶液をアルミホイルの下に保管して、使用する準備ができるまで
     保管します。
   • キュベットに適切な溶液を追加し、吸光度の値を測定します。
   • λ_maxですべての吸光度値を記録したら、[SCN]-体積対吸光度値のプロットをスケッチします。これは線形である必要があります。外れ値がある場合は、ソリューションを作り直して、もう一度やり直してください。
3. Measurements of Solutions with Unknown [Fe(NCS)]²⁺ ConcentrationsExpand

   ラボの最後の部分では、鉄が40倍から100倍過剰になるように、0.02 M FeCl₃溶液を含む4つの[Fe(NCS)]²⁺溶液を調製します。これらの濃度では、鉄の中心を離れる[SCN]-は、必ずしもすぐに別の鉄の中心を見つけるとは限りません。したがって、[Fe(NCS)]²⁺はFe³⁺および[SCN]-と平衡状態にあり、その濃度は開始時の[SCN]-濃度と等しくなりません。

   • 50mLビーカーを廃棄物ビーカーに空にし、ラベルをはがし、脱イオン水ですすいでください。
   • ビーカーを乾かし、6 – 10とラベル付けし直します。また、5つの使い捨てピペットに6〜10のラベルを付けます。
   • 0.2 M FeCl₃溶液のメスフラスコを廃棄物ビーカーに空にし、脱イオン水ですすいでください。すすぎたフラスコに0.02 M FeCl₃と再ラベル付けします。
   • 1 mLの容量ピペットを使用して、1 mLの1 M FeCl₃をメスフラスコに移します。フラスコに約40mLの脱イオン水を加えます。
   • フラスコをプラスチックフィルムで密封し、数回反転させて溶液を混合します。フラスコを開き、脱イオン水でラインまで満たします。フラスコを再密封し、溶液をよく混ぜます。
   • 新しい溶媒ブランクである溶液6を準備します。0.02 M FeCl₃ 5 mL と HNO₃ 5 mL を加え、撹拌ロッドで混合します。
   • 溶液をキュベットにピペットで入れ、前と同じようにバックグラウンド測定値を取得します。
   • に従って、溶液7から10を準備し、そのスペクトルを取得し、以前と同様にλ_最大で吸光度値を記録します。各溶液の間に攪拌ロッドとキュベットを脱イオン水で十分にすすぐことを忘れないでください。

     テーブル2.[Fe(NCS)]²⁺濃度が不明な溶液

     [FeCl3] イニシャル (M)

     0.01

     ソリューション #	>0.2 M Fe3+ (mL)	>0.5 mM [SCN]- (mL)	>0.5 M HNO3 (mL)	λmaxでの吸光度	[[Fe(NCS)]2+]eq	[Fe3+]eq	[[SCN]-]eq	>Keq (M-1)
     6	5	0	5	溶剤ブランク
     7	5	1	4
     8	5	2	3
     9	5	3	2
     10	5	4	1

     表2をダウンロードするにはここをクリックしてください
   • 終わったら、キュベット、メスフラスコ、ビーカーを廃棄物ビーカーに空にし、脱イオン水ですすいでください。
   • それぞれのビーカーに余分なHNO₃とNaSCNを収集します。廃棄物と余分な試薬溶液を重曹で中和し、廃棄物と余分なFeCl₃溶液を適切な廃棄物容器に廃棄します。
   • 中和されたHNO₃およびNaSCN溶液を水道水で排水溝に流します。
   • ラボ標準の手順でガラス器具と機器を洗ってください。
   • ペーパータオルやその他のゴミをドラフトから集めて、研究室のゴミ箱に入れてください。
4. ResultsExpand
   • 標準溶液中の[Fe(NCS)]²⁺の濃度を計算します。これらの溶液では、鉄濃度が非常に高いため、開始時の[SCN]^-濃度は[Fe(NCS)]²⁺濃度と同じであると仮定できます。
   • 各試行について、[SCN]^-ストック濃度に添加したNaSCNの量を掛け、それを総溶液量10mLで割ります。すべての標準ソリューションについて繰り返します。
   • 標準溶液のλ_最大での吸光度を[Fe(NCS)]²⁺濃度に対してプロットすることにより、検量線を作成します。データに適合する線形関数を見つけ、必要に応じてy切片 = 0 を設定します。手記： ビールの法則は、吸光度と濃度を関連付ける線形関数で表されます。したがって、検量線の傾きは、モル減衰係数にキュベット幅または光路長を掛けた値に等しくなり、このラボでは 1 cm でした。
   • 集中を解くために線形方程式を並べ替えます。モル減衰係数と光路長は、すべての試行で同じであることを忘れないでください。未知試行ごとに吸光度を記入し、その解の平衡濃度 [Fe(NCS)]²⁺ を解きます。
   • 解中の[Fe(NCS)]²⁺の平衡定数を推定します。簡単にするために、定数を1/Mの単位で表します。
   • 各試行のFe³⁺と[SCN]^-の開始濃度を計算します。各試行における平衡濃度は、その試行の開始試薬濃度から[Fe(NCS)]²⁺の平衡濃度を差し引くことにより決定します。
   • 生成物と反応物の平衡濃度を記入します。次に、平衡方程式を解いて、この試行の定数を推定します。最後に、試行の定数を比較します。